JPH08185238A - 位置決め装置 - Google Patents

位置決め装置

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JPH08185238A
JPH08185238A JP6325801A JP32580194A JPH08185238A JP H08185238 A JPH08185238 A JP H08185238A JP 6325801 A JP6325801 A JP 6325801A JP 32580194 A JP32580194 A JP 32580194A JP H08185238 A JPH08185238 A JP H08185238A
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Soji Ichikawa
宗次 市川
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Abstract

(57)【要約】 【目的】小型軽量,低コストかつ取扱いが簡単で、高分
解能で高精度な位置決めを行える位置決め装置を提供す
る。 【構成】可動テーブル30の下方側に収容空間31を形
成するとともにこの収容空間31内にメインスケール5
1を基線Qに沿って取付け、かつ静止テーブル10の上
方側に設けられた上部空間11内にインデックススケー
ル53を該メインスケール51と対応させて取付けかつ
下方側に設けられた下部空間13内に検出回路60の一
部または全部を取付けた。さらに、位置決め駆動手段4
0の一部を形成する圧電効果素子46を該収容空間31
内で基線Qに沿ってかつ該メインスケール51と直列配
設するとともに、その基端部46Aを静止テーブル10
に直接または間接的に固定しかつその他端部46Bを可
動テーブル30に直接または間接的に固定した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、基線方向へ相対移動可
能として静止テーブルに装着された可動テーブルを、位
置決め駆動手段を用いて基線方向に移動変位させかつメ
インスケール,インデックススケールおよび検出回路を
含む検出ユニットを利用して所望位置への位置決め終了
を確認可能に構成された位置決め装置に関する。
【0002】
【従来の技術】あらゆる産業分野で、位置決め対象物を
所望位置に位置決めする位置決め装置が広く利用されて
いる。従来位置決め装置の代表的構造を図8に示す。
【0003】同図において、可動テーブル30は、基線
(Q)方向へ相対移動可能として、静止テーブル10に
装着されている。可動テーブル30自体あるいはこの可
動テーブル30に取付けられて移動される例えば被加工
物,通信用光ファイバー等々が位置決め対象物となる。
【0004】可動テーブル30への移動推進力は、マイ
クロメータヘッド,サーボモータ機構等からなる位置決
め駆動手段(図示省略)によって付与される。また、所
望位置への位置決めが終了したか否かは、検出ユニット
50によって検出されかつ表示等により確認される。
【0005】この検出ユニット50は、メインスケール
51とインデックススケール53と検出回路とから構成
されている。また、メインスケール51は可動テーブル
30側に取付けられるとともに、インデックススケール
53等と検出回路とは静止テーブル10側に取付けられ
るのが、一般的である。ケーブル処理等の便宜のためで
ある。図8に示したメインスケール51は、2種類の光
学格子の一方すなわち反射型のメイン格子51Mを有
し、ケース1に格納されかつそのブラケット1Fを介し
て可動テーブル30に取付けられる。
【0006】インデックススケール53は、4つのイン
デックス格子54A,54RA、54B,54RBを有
し、発光部(発光素子57RP,レンズ56P)および
受光部57P(受光素子57RA,57RRA、57R
B,57RRB)とともにケース2に格納され、複雑形
状のブラケット(3,3F)を介しかつケース1に対向
させて静止テーブル10に取付けられる。
【0007】なお、ケース2の小型化等の理由から、各
受光素子57RA,57RRA、57RB,57RRB
に接続された4つのアンプや2つの演算増幅器等を含
み、90度位相づれしたA相検出信号とB相検出信号と
を生成出力する検出回路は、他の場所に取付けられる場
合が多い。
【0008】かくして、位置決めの駆動手段を用いて可
動テーブル30を基線(Q)方向に移動させれば、検出
回路から正弦波状で90度の位相差を持つA相およびB
相検出信号が生成出力される。したがって、両相検出信
号をパルス化しつつその数を計数すれば、可動テーブル
30の移動変位量Xつまり所望位置への位置決め終了を
表示等により確認することができる。よって、可動テー
ブル30を所望位置へ定量的(例えば、1μm〜0.5
μmの分解能)に位置決めすることができる。
【0009】なお、目標値(所望位置)を設定するため
の設定器,比較器等を設け、検出された上記移動変位量
Xをフィードバック信号として、自動位置決め制御する
ように構成する場合もある。つまり、位置決め制御完了
を持って位置決め終了が自動的に確認できる。かかる場
合は、位置決め駆動手段をサーボモータ機構等から構成
すればよい。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】ところで、位置決め装
置全体およびその検出ユニット50も、例外でなく、一
層の小型・軽量化および低コスト化が望まれている。し
かし、ケース1とケース2とを各テーブル30,10に
外部から取付可能として適用性を拡大した上記従来構造
である限り、この要請に応えられなくなって来た。ま
た、各ケース1,2の各テーブル30,10への取付作
業自体が、両スケール51,53間のクリアランス調整
等の煩雑さから、非常に多大な労力・時間を要し、かつ
取扱いが難しく熟練を要す。
【0011】以上の使用面の問題のみならず、性能面に
おける本質的な問題も生じ易い。すなわち、検出ユニッ
ト50自体の分解能および検出精度が高くとも、図7に
示すように検出部位たるメインスケール51(51F)
と,検出対象部位となる基線Qとの間隔Wが大きくなる
ので、アッベの原理に基く検出精度の低下を招く。外部
取付方式の欠陥であるといえる。また、検出回路が他の
場所に配設された場合には、ケーブルへの外乱ノイズの
影響による検出精度低下や検出不能状態になることもあ
る。また、外乱ノイズを除去するためにノイズフィルタ
ーを設けた場合、その時定数を大きくしなければならな
いので、検出高速化を阻害する要因となる。さらに、外
部取付方式では、取付容易化のために、両スケール5
1,53(詳しくは、各格子)間のギャップを大きくし
なければならなくなる。したがって、受光素子(54)
の応答速度が受光する光エネルギーの大きさに比例的で
あることを考えると、一層の検出高速化を阻害するとい
える。
【0012】さらに、外部取付時の間隔Wの狭小化等を
図ることができたとしても、位置決め駆動手段と検出ユ
ニット50との間に分解能的なミスマッチがあっては、
高精度の位置決めはできない。つまり、位置決め駆動手
段が例えばマイクロメータヘッド,サーボモータ機構の
場合、その最小変位可能精度は、それぞれ10μm〜1
μm,1μm〜0.5μm程度である。したがって、上
記2種類の光学格子を用いたあるいはギャップが大きく
とれる3種類の光学格子を用いた検出ユニット50の分
解能が例えば0.01μmとすることができたとして
も、位置決め上は意味がないことになる。
【0013】換言すれば、例えば直径が10μmの通信
用光ファイバーをピッチ250μmで1,2次元方向に
配設しかつ直径10μmの通信用光ファイバーをそのい
ずれかに選択位置決めしてスイッチングする光情報伝達
切替器等の場合、位置決め精度を直径10μmの1%
(0.1μm)以下とすることができない。2次元の位
置決め装置の場合は、上記1次元の位置決め装置を2階
建てとしなければならないから、一段と難しい。
【0014】本発明の目的は、小型軽量,低コストかつ
取扱いが簡単で、高分解能な位置決めを行える位置決め
装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は、検出ユニット
を各テーブルに内蔵可能として従来外部取付方式による
欠点を解消し、さらに圧電アクチュエータを採用して位
置決め駆動手段と検出ユニットとの間の分解能的ミスマ
ッチを一掃可能とする新規構成の創成に関する。
【0016】すなわち、請求項1の発明は、基線方向へ
相対移動可能として静止テーブルに装着された可動テー
ブルを、位置決め駆動手段を用いて基線方向に移動変位
させかつメインスケール,インデックススケールおよび
検出回路を含む検出ユニットを利用して所望位置への位
置決め終了を確認可能に構成された位置決め装置におい
て、前記可動テーブルの下方側に収容空間を形成すると
ともにこの収容空間内に前記メインスケールを前記基線
に沿って取付け、かつ前記静止テーブルの上方側に設け
られた上部空間内に前記インデックススケールを該メイ
ンスケールと対応させて取付けかつ下方側に設けられた
下部空間内に前記検出回路の一部または全部を取付け
た、ことを特徴とする。
【0017】また、請求項2の発明は、前記位置決め駆
動手段の一部を形成する圧電効果素子を該収容空間内で
前記基線に沿ってかつ該メインスケールと直列配設する
とともに、その基端部を前記静止テーブルに直接または
間接的に固定しかつその他端部を前記可動テーブルに直
接または間接的に固定した、ことを特徴とする。
【0018】
【作用】上記構成による請求項1の発明の場合、検出ユ
ニットを形成するメインスケールは可動テーブルの収容
空間に内蔵されるとともに、静止テーブルの上部空間内
にインデックススケールを取付けかつ下部空間内に検出
回路の一部または全部が取付けられている。したがっ
て、小型軽量で低コストで取扱いが簡単である。また、
検出ユニットが、位置決め対象部位たる基線に同じある
いは接近配設可能であるから、検出精度も高まる。ケー
ブルを介した外乱ノイズによる精度低下も排斥できる。
【0019】また、請求項2の発明の場合、請求項1の
発明の構成に加えさらに、位置決め駆動手段の一部が圧
電効果素子から形成されているので、検出ユニットの分
解能と同程度あるいはそれよりも小さな値で可動テーブ
ルを小レンジで正確に移動変位させることができる。し
たがって、検出ユニットとの間の分解能的ミスマッチを
一掃して高精度な位置決めができる。しかも、圧電効果
素子がメインスケールと基線に直列配設されているの
で、圧電効果素子の移動変位とメインスケールの移動変
位とを同一とすることができる。したがって、一層の高
精度化ができる。かくして、例えば0.1μm以下の変
位精度でかつ0.01μm以下の分解能で位置決めを行
える。
【0020】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 (第1実施例)本位置決め装置は、図1,図2に示す如
く、静止テーブル10と可動テーブル30と位置決め駆
動手段40と検出ユニット50とから構成され、かつ検
出ユニット50を形成するメインスケール51を可動テ
ーブル30に内蔵させるとともに,インデックススケー
ル53と検出回路60の全部とを静止テーブル10に内
蔵させ、しかも位置決め駆動手段40の一部を形成する
圧電効果素子46をメインスケール51と直列配設して
可動テーブル30に内蔵させた構成とされている。
【0021】また、この実施例では、位置決め駆動手段
40を粗駆動を行うマイクロメータヘッド41と微駆動
を行う圧電アクチュエータ45とから構成し、位置決め
可能範囲を拡大するとともに,圧電効果素子46による
高変位精度を利用して高精度な位置決めを行えるように
形成してある。
【0022】さらに、検出ユニット50を、図4に示す
如く、3種類の光学格子を用いかつ各第3格子53T
A,53TRA、53TB,53TRBを1箇所に集め
るとともに,インデックススケール53の長さ方向(図
4で左右方向)において第2格子53Sと接近配設し、
また各受光素子57RA,57RRA、57RB,57
RRBを1チップ受光素子(57R)を4分割して形成
するとともに、発光部55を形成する発光素子(LED
55D)を単一の集光レンズ55L付構造として傾斜配
設しかつ光絶縁手段59を設け、受光有効面積の狭小化
を図りつつ発光素子(55D)からの拡散光の有効利用
を促進可能な新規の構成としてある。
【0023】したがって、各テーブル10、30への収
容便宜のための小型軽量化と、取扱容易化と,装置全体
のコスト低減のための低コスト化をより促進でき、か
つ、一層の高分解能,高精度かつ高速な検出が可能であ
る。
【0024】図1において、まず静止テーブル10と可
動テーブル30との関係を説明する。静止テーブル10
のベアリング保持部16,17と,可動テーブル30の
ベアリング保持部36,37との間にクロスローラベア
リング25,26が組込まれ、両テーブル10,30は
基線Qの方向に相対移動可能に装着されている。静止テ
ーブル10および可動テーブル30は、ともに基線Qを
中心に幅方向が対称構造とされ、加工容易化と低コスト
化が図られている。
【0025】また、可動テーブル30側の下方に突出す
るピン39,39と,静止テーブル10側の上方に突出
するピン19、19との間に、バネ19S,19Sが張
設されている。したがって、可動テーブル30は、詳細
後記のアンビル41Aに押圧され、静止テーブル10
(起立部20)に常時に当接されている。つまり、静止
テーブル10に対する可動テーブル30の図6に示す基
準位置XBを、常時的にかつ不動として確立することが
できる。
【0026】ここに、可動テーブル30の下方側には下
方および長さ方向に開口する収容空間31が形成され、
収容空間31の平面的中心線は、基線Qに合せてある。
この収容空間31内には、メインスケール51が基線Q
に沿って、この実施例では基線Q上にその第1格子51
Fが来るように、取付られている。また、この実施例で
は、メインスケール51がモアレ調整用の保持プレート
34を介して取付られている。
【0027】保持プレート34は、図2に示す如く、ビ
ス孔35S,35Lに螺合されたビス33S,33Lを
用いて、可動テーブル30に固定される。このビス33
Sを貫通させる可動テーブル30の貫通孔32Sは小さ
な直径(例えば、3.1mm)で、ビス33L用の貫通
孔32Lの直径は大きい(例えば、3.8mm)。
【0028】つまり、両ビス33S,33Lを緩めかつ
ビス33Lを移動させれば、保持プレート34をビス3
3Sを中心として小角度だけ回動させることができる。
すなわち、インデックススケール53に対するメインス
ケール51の平面的相対位置を変えて、モアレ調整可能
とされている。外部から調整可能であるから、取扱いが
簡単である。
【0029】一方、静止テーブル10の上面側には、一
対の突条部15,15が設けられ、上記ベアリング保持
部16,16を形成する他、さらにメインスケール51
とインデックススケール53とのギャップを設定値に規
制保持することができるものと形成してある。
【0030】ここに、静止テーブル10の上方側にはイ
ンデックススケール53をメインスケール51に対応さ
せて収容取付けするための上部空間11が設けられ、か
つ下方側には検出回路(4つのアンプと2つの演算増幅
器等とを含む)60の全てを収容取付けするための下部
空間13が設けられている。なお、下部空間13は、少
くとも4つのアンプ、つまり検出回路60の一部を収容
可能であればよい。ケーブル60Lへの外乱ノイズの影
響を除去できるからである。
【0031】上部空間11と下部空間13とは、図2に
示すように連通されている。また、上部空間11は、連
通部(開口)12を介し、上面側の突条部15,15間
に連通する。また、インデックススケール53は、この
連通部12の内周縁に接着固定されている。なお、起立
部20は、静止テーブル10の取付面18にボルト締め
により固定されている。また、第1取付孔21と第2取
付孔22とを有する。
【0032】位置決め駆動手段40を形成する微駆動用
の圧電アクチュエータ45は、図6に示す圧電効果素子
46と駆動電源回路47とからなる。設定器48で設定
した駆動電圧信号Exvに応じた駆動電圧Dvによっ
て、圧電効果素子46が基線Q方向に伸縮変位するもの
と形成されている。47Lは、ケーブルである。第2取
付孔22に固定された図1に示すコネクタ46Cを介し
て両者46,47が接続される。
【0033】圧電効果素子46は、積層縦効果素子(N
EC製AE0505D16型)とされ、かつ基線Q方向
の変位レンジが0.015mm,最大駆動電圧DC15
0V,発生力8.5kgである。
【0034】この圧電効果素子46は、図1,図2に示
す如く、基線Qに沿って(この実施例では、基線Qを中
心として)、メインスケール51(第1格子51F)と
直列配設されている。また、基端部46Aはアンビル4
1Aを介して間接的に静止テーブル10(起立部20)
に固定され、かつ他端部46Bは可動テーブル30に直
接または間接的に固定される。この第1実施例では、他
端部46Bをメインスケール51に接着固定して、間接
的に可動テーブル30に固定してある。したがって、圧
電効果素子46のQ方向の移動変位(XS)をそのまま
メインスケール51の移動変位XSとすることができる
わけである。
【0035】粗駆動用のマイクロメータヘッド41は、
図2に示すように、回動操作部41Rと取付部41Hと
直線変位可能なアンビル41Aとからなる。起立部20
の第1取付孔21に取付部41Hを嵌挿固定して静止テ
ーブル10に取付けられる。したがって、回動操作部4
1Rを回動させれば、アンビル41AがQ方向に進退移
動し、その移動変位XLは主目盛41Mとバーニア目盛
41Vとから読取ることができる。変位レンジは10m
mで、変位精度は1μmmである。
【0036】なお、可動テーブル30の移動範囲が、圧
電効果素子46の変位レンジ(0.015mm)以下の
場合は、位置決め駆動手段40を圧電アクチュエータ4
5(46,47,48)のみから形成してもよい。この
場合は、圧電効果素子46の基端部46Aを静止テーブ
ル10(起立部20)に直接固定しかつその他端部46
Bを可動テーブル30(あるいはメインスケール51)
に直接固定すべきである。つまり、マイクロメータヘッ
ド41は、不要である。
【0037】次に、両テーブル10、30に内蔵させた
検出ユニット50の構成を、従来例との比較においてか
つその技術的根拠とともに詳説する。
【0038】まず、図8に示す2種類の光学格子を用い
た場合よりも、両スケール51,53間のギャップが大
きくできかつ第1格子51Fのピッチをより微細とする
ことのできる3種類の光学格子を用いた光学式変位検出
ユニットの検出原理を、例えば、Principles
of Optics、6th edition(MA
X BORN & EMIL WOLF、Pergam
on Press、1980)の第383頁に記載され
ているフレネル回折の理論に基き図3〜図5を参照して
検討する。
【0039】同一平面上にある第2格子(53S)と各
第3格子(53T)とを基準格子100としかつこれに
ギャップd(Z)を隔て第1格子(51F)を平行配設
するとともに、Z軸上の点d(Z)を中心に第1格子
(51F)を微小角△θだけ傾斜させた場合を考える。
そして、拡散光源(LED55D)から発せられた拡散
光Sが基準格子100を透過しかつ第1格子(51F)
で反射(回折)され、その反射光が基準格子100に達
した場合におけるX軸上での光強度分布を、定数項を除
く光強度分布関数〔I(x)、I(xθ)〕を用いて比
較検討する。
【0040】第1格子(51F)が基準格子100と平
行である場合の光強度分布関数〔I(x)〕は、[数
1]および[数2]となる。
【数1】 なお、F=COS〔πλd(Z)/2(P1)2 〕であ
り、また、λは拡散光Sの有効波長、P1は第1格子
(51F)のピッチ,d(Z)はギャップである。
【数2】
【0041】ここに、厳密には、光強度分布関数は[数
1]と[数2]とを重畳したものである。しかし、実際
装置を構成する際には、各数式を独立に扱った方が都合
がよい。かくして、第1格子(51F),第2格子(5
3S),各第3格子(53T)の目盛のピッチをP1,
P2,P3とし、かつn,m,qを整数(1,2,3,
…)とすると、[数1]の検出原理を用いて検出装置を
構成する条件は、[数3],[数4]で現わされる。
【数3】
【数4】
【0042】また、[数2]の検出原理を用いて検出装
置を構成する条件は、[数5],また、[数2]の検出
原理を用いて検出装置を構成する条件は、[数5],
[数6]で現わされる。
【数5】
【数6】
【0043】そして、[数3]および[数5]におい
て、m=q=1が最も基本的な条件となる。以上から、
3種類の光学格子を用いた反射型の検出装置では、構成
条件が2つ存在する。
【0044】すなわち、[数1]の検出原理を用いる
と、光強度はギャップd(Z)に依存するが、検出信号
のS/N比が良いために第1格子(51F)のピッチP
1を20μm程度以上のピッチとする場合に適する。
【0045】また、[数2]の検出原理を用いると、光
強度はギャップd(Z)に依存しなくなり、かつ第1格
子(51F)を1ピッチだけ変位させると、第3格子
(53T)には第1格子(51F)の2ピッチ分の検出
信号が出力される。したがって、第1格子(51F)の
ピッチP1を20μm程度以下のピッチとする場合に適
する。
【0046】次に、第1格子(51F)を基準格子に対
して微小角△θだけ傾斜させた場合の光強度分布関数
〔I(xθ)〕は、[数7],[数8]で求まる。
【数7】
【数8】
【0047】これら[数7],[数8]は、[数1],
[数2]に対して最終項に〔−2△θd(Z)〕がそれ
ぞれ追加されている。したがって、この〔−2△θd
(Z)〕が一定であるならば、検出装置としてはオフセ
ットとして取扱えるので問題はないといえる。
【0048】しかるに、図8に示す従来検出装置の場合
のレイアウトと同様に、受光素子57RA(57RR
B)がX軸上のX1点を中心にかつギャップd(Z1)
をもって配設されるとともに、受光素子57RRA(5
7RB)がX2点を中心にかつギャップd(Z2)をも
って配設されている場合における受光素子57RAの受
ける光エネルギーは、[数7],[数8]のd(Z)に
d(Z1)を代入し、かつ受光素子57RBの受ける光
エネルギーはd(Z)にd(Z2)を代入することによ
り求めることができる。
【0049】ここに、d(Z1)−d(Z2)=△θ
(X1+X2)が成立するから、第1格子51Fと基準
格子100とをX方向に相対変位させた場合、受光素子
57RAと57RBとの検出信号間の位相差は、△θ
(X1+X2)の値が大きいほど大きくなることが判
る。このことは、〔数7〕,〔数8〕からして、第1格
子51FのピッチP1を小さくすればするほど、より大
きく影響することも明らかである。
【0050】以上の吟味から、一層の高分解能化,高精
度化を図るには、受光素子57RA(57RRB)と5
7RB(57RRA)との間隔をより小さく,かつ各受
光素子の受光有効面積をより小さく、さらに各受光素子
自体の寸法精度,組立精度をより向上させることが必要
と理解される。かくすれば、同時的に一層の小型軽量
化,低コスト化も図れる。
【0051】かくして、この第1実施例の場合は、図
4,図5に示すように各第3格子(53T)を1箇所に
集めて第2格子53Sに接近配設し、これに対応配設さ
れる各受光素子57RA,57RRA、57RB,57
RRBを1チップ受光素子(57R)を4分割して形成
可能とすることにより、上記間隔(d)と受光有効面積
とを大幅に縮小するとともに、各受光素子の温度特性,
劣化特性を均一化して、性能面上の高分解能化,高精度
化および使用面上の小型軽量化,低コスト化を図ること
ができる構成としてある。
【0052】しかし、各受光素子の受光有効面積を小さ
くすると、受光エネルギーも小さくなってしまう。そこ
で、発光部55を単一の光源(LED55D)で集光レ
ンズ55L付構造とするとともに傾斜配設することによ
り、拡散光の有効利用を図り各受光素子の受光エネルギ
ーを増大可能に形成してある。但し、光源は拡散光であ
ってコリメート光や半導本レーザのような可干渉性光源
であってはならない。このような光源としたのでは、第
2格子(53S)面上に互いに独立(インコヒーレン
ト)の線光源を生成できないため、前出〔数1〕および
〔数2〕が成立しなくなるためである。
【0053】つまり、発光素子(55D)は、光源その
ものの広がりが大きく無数の点光源から形成されるもの
として選択してある。かくして、各受光素子の受光エネ
ルギーを増大できるから検出高速化が図れ、かつギャッ
プ(d)を大きくして第1格子51Fの目盛ピッチをよ
り微細化できるから分解能を高められるとともに、1個
の発光素子(55D)および1チップ(57R)の4分
割型受光素子(57RA,57RRA、57RB,57
RRB)であるから、一段の小型軽量化,低コスト化と
ともに取付け,取扱いが非常に容易となる。しかも、各
受光素子間の温度特性および劣化特性のバラツキを最小
的に抑えられる。さらに、各受光素子間の相対位置関係
を同一平面上で正確に保てる。従来例(図8)との比較
からも明白である。
【0054】ここに、発光部55は、図4に示す如く、
LED55Dと集光レンズ55Lとから形成され、ホル
ダー55Cを介して保持枠体55Bに傾斜配設されてい
る。発せられた拡散光を第2格子53Sを透過させて第
1格子51Fに入射させ、かつ第1格子51Fから反射
された検出光が各第3格子53TA,53TRA、53
TB,53TRBを透過して対応する各受光素子53R
A,53RRA、57RB,57RRBに入射可能とす
る角度をもって、傾斜保持されている。したがって、拡
散光の過度の拡散を抑制しつつ光エネルギーの大幅な有
効利用が図れるとともに、各受光素子の受光エネルギー
量を増大できるので、一層の応答性改善つまり検出高速
化が図れる。
【0055】しかし、各第3格子(53T)を第2格子
53Sに接近配設させかつ拡散光源(55D)を採用す
ることから、小型化を促進すればするほど発光素子(L
ED55D)からの拡散光が各受光素子57Rに直接入
射される虞れが強くなる。そこで、これを防止する光絶
縁手段59を設けている。
【0056】この、光絶縁手段59は、図4に示す如
く、発光素子(55D)からの拡散光が各受光素子に直
接入射することを防止するための手段で、L字形状の非
光透過性材質の折板構造とされ、かつ発光素子(55
D)と各受光素子(57R)との間に介在するようにし
てホルダー55Cの一方下端に取付けられている。但
し、ホルダー55C自体に光絶縁面を一体形成してもよ
い。また、光絶縁手段59は、光遮断剤のコーティング
等による構成としてもよい。
【0057】したがって、従来例(3種類の格子)の場
合に比較すれば、各第3格子53TA(53TRA)と
53TRB(53TB)との間隔を最小的に短縮するこ
とができかつ受光有効面積を最小化できるから、前記フ
レネル回折の理論上からも、高精度,高分解能で変位検
出できる。この第1実施例では、分解能が0.01μm
である。
【0058】なお、メインスケール51は、中心線(基
線Q)を境として左右対称形状とされ、かつ水平配設さ
れるとともに、第1格子51Fの目盛ピッチは8μmと
されている。
【0059】また、インデックススケール53と第2格
子53Sとも左右対称形状とされ水平配設される。第2
格子53Sの目盛ピッチは8μmで、各第3格子(53
T)の目盛ピッチは8μmである。
【0060】なお、以上の新規発想は、4個の第3格子
に代え、2個の第3格子と1以上のリファレンス窓とし
た場合でも、同様に適用可能である。この実施例の検出
ユニット50を、このように形成してもよい。
【0061】次に、この第1実施例の作用を説明する。
図6において、計数回路65を零(0)クリアして表示
器68の表示値を“00、000”とする。この際の位
置を基準として可動テーブル30を図6で基線Qの右方
向に例えば2mm(=XT)だけ進めて位置決めする場
合を考える。
【0062】まず、位置決め駆動手段を形成する粗駆動
用のマイクロメータヘッド41を用いて、例えば1.9
9mm(=XL)だけ進める。すなわち、回動操作部4
1Rを回動させると、アンビル41Aが進む。すると、
圧電効果素子46〜メインスケール51〜保持プレート
34を介して移動推進力が付与されるので、可動テーブ
ル30が進行する。
【0063】すると、メインスケール51とインデック
ススケール53とが基線Q方向に相対移動するので、図
4に示すLED55Dからの拡散光は、集光レンズ55
Lで集められかつ傾斜配設角度に応じてインデックスス
ケール53上の第2格子53Sを透過し、メインスケー
ル51上の反射型第1格子51Fに効率良く入射され
る。
【0064】この際、光絶縁手段59が光絶縁するの
で、各受光素子57RA,57RRA、57RB,57
RRBに拡散光が直接入射されてしまうことがない。つ
まり、各受光素子への外乱光を与えない。また、ホルダ
ー55Cの内ガイド面も必要以上の拡散を抑えられるの
で、この点からも光エネルギーの有効利用性を高められ
る。
【0065】第1格子51Fから反射された検出光は、
インデックススケール53上でその長さ方向の1箇所に
集められかつ第2格子53Sに接近配設された各第3格
子53TA,53TRA、53TB,53TRBを透過
して、それぞれに対応する各受光素子57RA,57R
RA、57RB,57RRBに入射される。この各受光
素子は、1チップ受光素子(57R)を4分割して形成
されているので、温度特性および劣化特性にバラツキが
ない。また、同一平面上で所定の相対位置関係を正確に
保持されている。
【0066】かくして、インデックススケール53とメ
インスケール51との基線Q方向に相対変位XTに相応
しかつ各受光素子57RA,57RRA、57RB,5
7RRBから出力された光電変換信号を、図6に示す検
出回路60に入力できる。
【0067】ここに、検出回路60は、検出信号Sxつ
まり正弦波状のA相検出信号SAとB相検出信号SBを
得、図2に示す引出孔14,大径引出孔14Lを通した
ケーブル60Lを介して計数回路65へ出力する。この
計数回路65は、デジタル処理しつつ計数することによ
り、その移動変位量XT(=XL+XS)に相当する表
示変位量信号Xindを表示器68へ入力する。したが
って、表示器68を見れば、現圧位置を知ることができ
る。
【0068】ここに、圧電効果素子46の変位レンジ
(0.015mm)以内である例えば“01、992
5”となったところで、マイクロメータヘッド41の操
作を止める。そして、微駆動用の圧電アクチュエータ4
5の操作に切替える。すなわち、設定器48を用いて駆
動電圧信号Exvを発生させる。すると、駆動電源回路
47から相応する駆動電圧Dvが出力される。圧電効果
素子46が、アンビル41Aの先端を基準として右方向
に伸びる。
【0069】したがって、圧電効果素子46の伸び変位
XSは、メインスケール51,保持プレート34を介し
て可動テーブル30にそのまま伝達される。この伸び変
位XSも検出回路60で検出される。したがって、表示
器68には、現圧位置が移動変位XT(=XL+XS)
として表示される。
【0070】ここに、圧電効果素子46の分解能は0.
001μmであり、かつ検出ユニット50(60)の分
解能は0.01μmであるから、表示値が例えば“0
2、0005”となったところで停止させる。かくし
て、2mm±0.005の高分解能で位置決めできる。
表示により確認できる。
【0071】さらに、この現圧位置から、例えば0.0
45μmだけ右方向へ移動させるには、圧電アクチュエ
ータ45のみを用いて行える。例えば、2.00095
mmと表示されるように圧電アクチュエータ45の駆動
電圧を制御すればよい。
【0072】しかして、この第1実施例によれば、可動
テーブル30の下方側に収容空間31を形成するととも
にこの収容空間31内にメインスケール51を基線Qに
沿って取付け、静止テーブル10の上方側に設けられた
上部空間11内にインデックススケール53を該メイン
スケール51と対応させて取付けかつ下方側に設けられ
た下部空間13内に検出回路60の全部を取付けた構成
とされているので、小型軽量,低コストかつ取扱いが簡
単で高分解能で位置決めできる。
【0073】また、位置決め駆動手段40の一部を形成
する圧電効果素子46を該収容空間31内で基線Qに沿
ってかつ該メインスケール51と直列配設するととも
に、その基端部46Aを静止テーブル10に間接的に固
定しかつその他端部46Bを可動テーブル30に間接的
に固定した構成としたので、検出ユニット50の分解能
と同程度あるいはそれよりも小さな値で可動テーブル3
0を小レンジで正確に移動変位させることができる。し
たがって、検出ユニット50との間の分解能的ミスマッ
チを一掃して高精度な位置決めができる。しかも、圧電
効果素子46がメインスケール51と基線Qに直列配設
されているので、圧電効果素子46の移動変位とメイン
スケール51の移動変位とを同一とすることができる。
したがって、一層の高精度化ができる。かくして、例え
ば0.1μm以下の変位精度でかつ0.01μm以下の
分解能で位置決めを行える。
【0074】また、可動テーブル30と静止テーブル1
0とが、ともに基線Qを中心として幅方向に対称形状と
されているので、より加工が容易で低コストである。ま
た、収納空間11,13,31が設けられているので、
より大幅な軽量化を達成できる。
【0075】また、メインスケール51の形状が左右対
称とされているから、加工歪が基線Qを中心にバランス
される。したがって、一層の高精度化を達成できる。
【0076】また、メインスケール51を保持する保持
プレート34を外部から微回動させて、モアレ方向の調
整ができる構成とされているので、取扱いが非常に簡単
である。しかも、固定用のビス33S,33Lを兼用す
るものとされているので、この点からも軽量化と低コス
ト化を一段と助長できる。
【0077】また、位置決め駆動手段40が、粗駆動用
マイクロメータヘッド41と微駆動用圧電アクチュエー
タ45(46,47)から形成されているので、位置決
め可能範囲の拡大が図れかつ微駆動による高精度位置決
めを保障できる。
【0078】また、圧電効果素子46とメインスケール
51とが、位置決め対象部位となる基線Qに直列配設さ
れているので、圧電効果素子46の伸縮変位量XSとメ
インスケール51の直線移動変位量(XS)とを一致さ
せることができるので、この点からも位置決め精度を一
段と向上できる。その他端部46Bがメインスケール5
1に直接接着されていることも、これを一段と助長す
る。
【0079】また、圧電効果素子46の基端部46Aを
マイクロメータヘッド41のアンビル41Aに当接させ
ることにより、静止テーブル10に間接的に固定されて
いるので、可動テーブル30を静止テーブル10から簡
単に取外すことができる。したがって、検出ユニット5
0の点検・修理が容易で取扱い簡単である。
【0080】また、アンプおよび演算増幅器を含む検出
回路60の全てを、静止テーブル10に内蔵させてある
ので、外部の計数回路65との間の外乱ノイズの影響を
一掃できる。したがって、この点からも一段と高精度で
ある。
【0081】さらに、検出ユニット50が各第3格子5
3TA,53TRA、53TB,53TRBを1箇所に
集めかつインデックススケール53の長さ方向において
第2格子53Sと接近配設し、各受光素子57RA,5
7RRA、57RB,57RRBを1チップ受光素子を
4分割して形成するとともに、発光部55を単一光源
(55D)の集光レンズ55L付構造として傾斜配設し
かつ光絶縁手段59を設け、受光有効面積の狭小化を図
りつつ発光素子(LED55D)からの拡散光の有効利
用を促進可能に構成されているので、装置全体としての
性能面上の高分解能化,高精度化,検出高速化、および
使用面上での小型軽量化,低コスト化,取扱容易化をよ
り大幅に向上達成できる。
【0082】さらに、各第3格子53TA,53TR
A、53TB,53TRBが1箇所に集められかつイン
デックススケール53の長さ方向に接近配設されている
ので、基線Q方向の装置寸法をより小型化できるととも
に、第1格子51Fを含む平面に対する平行度をより簡
単かつ迅速に確立できる。
【0083】さらに、各受光素子57RA,57RR
A、57RB,57RRBが1チップ受光素子(57
R)を4分割して形成されているので、温度特性等のバ
ラツキを最小限に抑えられるから一段と高精度検出がで
き信頼性も高められるとともに、各受光素子間の同一平
面上の配設や相対位置関係の調整作業を大幅に削減でき
かつ低コストで入手可能となる。
【0084】さらに、発光素子(55D)がホルダー5
5Cを介して保持枠体55Bに所定傾斜角を持って取付
けられているので、長期に亘る安定運転を保障できる。
【0085】さらに、光絶縁手段59が、L字形状の折
板構造とされているので、構造簡単で低コストで具現化
できる。
【0086】さらにまた、発光素子(55D)からの拡
散光の有効利用度を高められるので、ギャップ(d)Z
を大きくつまり第1格子51Fの目盛を一段と微細化し
てより高分解能化できる。
【0087】(第2実施例)この第2実施例は、第1実
施例の場合に比較して、下記が異なる。すなわち、図7
に示す如く、位置決め駆動手段40の粗駆動用をモータ
機構43から形成するとともに、位置決め制御回路70
を設け、自動位置決め制御可能に形成されている。
【0088】図7において、モータ機構43は、ステッ
ピングモータ43Mと運動変換部43Cと直動軸43S
とからなり、コントローラドライバ43Dからのパルス
信号PLSの数によってステッピングモータ43Mの回
転量が決まり、かつこれに相応する変位XLだけ直動軸
43SがQ方向に進退動するものと形成されている。変
位レンジは10mmで、変位精度は0.5μmである。
コントローラドライバ43Dには、回転角度信号Exθ
が入力される。
【0089】位置決め制御回路70は、所望位置つまり
Q方向の総移動変位XTに対応する位置決め(目標値)
信号Sxtを設定出力する設定回路71と、この位置決
め信号Sxtと計数回路65からのフィードバック信号
Fxtとを比較して偏差信号Extを出力する比較回路
72と、偏差信号Extのうちの大変位相当偏差に対応
する大偏差信号Exlと小変位相当偏差に対応する小偏
差信号Exsとを分配出力する信号分配器73と,入力
された大偏差信号Exlをこれに相当する回転角度信号
Exθに変換する信号変換回路74と,小偏差信号Ex
sをこれに相当する電圧設定信号Exvに変換する信号
変換回路75とから形成されている。
【0090】なお、76,77は切替器で、自動選択さ
れた場合に、分配された回転角度信号Exθ,電圧設定
信号Exvをコントローラドライバ43D,駆動電源回
路47のそれぞれに出力し、手動の場合には各設定器4
4,48からの各設定信号をそれぞれに出力するもので
ある。表示器68については、第1実施例の場合と同じ
である。
【0091】なお、設定回路71は、例えば電話回線を
通じて入力される情報切替信号DSxTから位置決め信
号Sxtを自動的に生成出力可能に形成してもよい。
【0092】かかる構成の第2実施例によれば、設定回
路71に総移動変位XT(例えば、1mm)を設定すれ
ば、比較回路72が現圧移動変位XT相当のフィードバ
ック信号Fxtと比較して偏差信号Extを求める。す
ると、信号分配器73が、偏差中の圧電効果素子46の
例えば約1/2変位レンジ(0.0075mm)以下分
については小偏差信号Exsとして信号変換回路75へ
分配出力し、かつそれ以上の偏差分については大偏差信
号Exlとして信号変換回路74へ分配出力する。
【0093】すなわち、大偏差信号Exlに基きモータ
機構43が働き、直動軸43Sを変位XLだけ移動させ
る。と同時的またはその後に圧電アクチュエータ45
(46,47)は、小偏差信号Exsに基き圧電効果素
子46を変位XSだけ伸長させる。したがって、可動テ
ーブル30を設定変位量XT(=XL+XS)だけ正確
に移動できる。つまり、自動的に高精度な位置決めがで
き、制御完了で位置決め終了が確認される。
【0094】なお、手動の場合は、設定器44,48を
用いてモータ機構43,圧電アクチュエータ45をそれ
ぞれに駆動して行えばよい。
【0095】しかして、この第2実施例によれば、第1
実施例の場合と同様な作用効果を奏することができる
他、さらに粗駆動用がモータ機構43とされているので
より迅速な位置決めができるとともに、位置決め制御回
路70が設けられているので、自動的に高精度な位置決
めができる。
【0096】
【発明の効果】請求項1の発明によれば、可動テーブル
の下方側に収容空間を形成するとともにこの収容空間内
にメインスケールを基線に沿って取付け、静止テーブル
の上方側に設けられた上部空間内にインデックススケー
ルを該メインスケールと対応させて取付けかつ下方側に
設けられた下部空間内に検出回路の全部を取付けた構成
とされているので、小型軽量,低コストかつ取扱いが簡
単で高分解能で位置決めできる。
【0097】また、請求項2の発明によれば、請求項1
の発明の構成に加えさらに、位置決め駆動手段の一部を
形成する圧電効果素子を該収容空間内で基線に沿ってか
つ該メインスケールと直列配設するとともに、その基端
部を静止テーブルに間接的に固定しかつその他端部を可
動テーブルに間接的に固定した構成としたので、請求項
1の発明の場合と同様な効果を奏することができる他さ
らに、検出ユニットの分解能と同程度あるいはそれより
も小さな値で可動テーブルを小レンジで正確に移動変位
させることができる。したがって、検出ユニットとの間
の分解能的ミスマッチを一掃して高精度な位置決めがで
きる。しかも、圧電効果素子がメインスケールと基線に
直列配設されているので、圧電効果素子の移動変位とメ
インスケールの移動変位とを同一とすることができる。
したがって、例えば0.01μm以下の分解能で位置決
めを行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す分解斜視図である。
【図2】同じく、図1の矢視線−に基き一部を断面
した側断面図である。
【図3】同じく、検出ユニットの検出原理を説明するた
めの図である。
【図4】同じく、検出ユニットを説明するための縦断面
図である。
【図5】同じく、インデックススケールを説明するため
の平面図である。
【図6】同じく、動作を説明するためのブロック図であ
る。
【図7】第2実施例の動作を説明するためのブロック図
である。
【図8】従来例を説明するための図である。
【符号の説明】
10 静止テーブル 11 上部空間 12 連通部 13 下部空間 15 突条部 16,17 ベアリング保持部 18 取付面 19 ピン 19S バネ 20 起立部 21 第1取付孔 22 第2取付孔 25,26 クロスローラベアリング 30 可動テーブル 31 収容空間 32S 貫通穴 32L 貫通穴 33S ビス 33L ビス 34 保持プレート 35S ビス孔 35L ビス孔 36,37 ベアリング保持部 39 ピン 40 位置決め駆動手段 41 マイクロメータヘッド 41R 回動操作部 41A アンビル 41M 主目盛 41V バーニア目盛 41H 取付部 43 モータ機構 43M ステッピングモータ 43C 運動変換部 43S 直動軸 45 圧電アクチュエータ 46 圧電効果素子 46A 基端部 46B 他端部 47 駆動電源回路 48 設定器 50 検出ユニット 51 メインスケール 51F 第1格子 53 インデックススケール 53S 第2格子 53T(A、RA、B、RB) 第3格子 55 発光部 55D LED 55L 集光レンズ 57 受光部 57R(A、RA、B、RB) 受光素子 59 光絶縁手段 60 検出回路 65 計数回路 68 表示器 70 位置決め制御回路 71 設定回路 72 比較回路 73 信号分配器 74 信号変換回路 75 信号変換回路 Q 基線

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基線方向へ相対移動可能として静止テー
    ブルに装着された可動テーブルを、位置決め駆動手段を
    用いて基線方向に移動変位させかつメインスケール,イ
    ンデックススケールおよび検出回路を含む検出ユニット
    を利用して所望位置への位置決め終了を確認可能に構成
    された位置決め装置において、 前記可動テーブルの下方側に収容空間を形成するととも
    にこの収容空間内に前記メインスケールを前記基線に沿
    って取付け、かつ前記静止テーブルの上方側に設けられ
    た上部空間内に前記インデックススケールを該メインス
    ケールと対応させて取付けかつ下方側に設けられた下部
    空間内に前記検出回路の一部または全部を取付けた、こ
    とを特徴とする位置決め装置。
  2. 【請求項2】 前記位置決め駆動手段の一部を形成する
    圧電効果素子を該収容空間内で前記基線に沿ってかつ該
    メインスケールと直列配設するとともに、その基端部を
    前記静止テーブルに直接または間接的に固定しかつその
    他端部を前記可動テーブルに直接または間接的に固定し
    た、ことを特徴とする請求項1の位置決め装置。
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